В настоящей работе рассматривается динамика механической системы переменного состава, состоящей из массивного однородного изотропного мяча с недеформируемой сферической поверхностью, движущегося по так называемому газону, который моделируется непрерывным однородным множеством вязкоупругих достаточно жестких стержней с нижними концами, закрепленными в опорной плоскости, и свободными верхними.
Долгое время механика не касалась вопросов деформации при взаимодействии твердых, упругих и вязкоэластичных тел. Исследование сил и моментов, возникающих при таком взаимодействии, сводилось к изучению точечного контакта или контакта по поверхности прилегания (например, в случае плоскопараллельного движения пластинки).
Основы механики контактного взаимодействия были заложены в работах Генриха Герца, опубликованных в 1881—1882 гг. В статьях [75], [76] Герц исследовал статическую задачу о контакте двух осесиммет-ричных упругих тел с искривленными поверхностями. В основу контактной теории были заложены следующие предположения: материал соприкасающихся тел в зоне контакта однороден и следует закону Гу-калинейные размеры площадки контакта малы по сравнению с радиусом кривизны и линейными размерами соприкасающихся поверхностей в окрестности точек контактасилы трения между соприкасающимися телами пренебрежимо малы. Одним из основных результатов исследования является так называемый закон Герца распределения напряжений, а (г) = 22Л — гДе ~ РаДиУс пятна контакта, Nсжимающая сила, а г — радиус-вектор элементарной площадки внутри зоны контакта.
Так как в конце XIX века не было экспериментальных методов для исследования адгезии между твердыми телами, в модели Герца пренебрегает учетом сцепления поверхностей. Впоследствии этот недостаток был устранен в моделях из более поздних работ.
Для перехода к решению задач динамики необходимо было разработать модель силы трения, учитывающую как площадь пятна контакта, так и распределение напряжений внутри нее. Классическая модель сухого трения Кулона [67] основывается на полученной экспериментально в ходе опытов 1781—1821 гг. независимости силы трения от скорости при прямолинейном поступательном движении. Также в одномерной модели сухого кулоновского трения предполагается, что сила приложена к точке контакта взаимодействующих тел и направлена противоположно относительной скорости проскальзывания. Однако, если движение взаимодействующих тел включает в себя процессы скольжения и верчения одновременно, а зона контакта не ограничивается точкой, предположения Кулона нарушаются, и модель трения требует доработки.
Первые исследования процесса качения твердого тела по деформируемой поверхности принадлежат О. Рейнольдсу [92], [93]. В ходе экспериментов в 1875 г. он обнаружил, что при качении по плоскости из резины металлический цилиндр проходит путь, меньший длины своей окружности. Ученый объяснил это так: зона контакта состоит из зоны сцепления, где действуют силы трения, и зоны микропроскальзывания, рассеяние энергии из-за упругих деформаций в которой обуславливает сопротивление движению. Описание имело качественный характер, и еще долгое время задача определения напряжений и микропроскальзываний при контакте тел с разными модулями упругости не имела количественного решения. Фактически, статьи Рейнольдса содержат только описание закономерностей качения цилиндров и таблицы с результатами экспериментов.
Значительный вклад в исследование закономерностей трения качения по деформируемым поверхностям внес академик АН СССР А. Ю. Ишлинский [27−31]. Его диссертационная работа «Трение качения» была посвящена движению катка по релаксирующему и вязко-пластическому грунту. В этой задаче использование конкретной модели не вполне упругого основания позволило обосновать расположение зон сцепления и проскальзывания при качении с учётом трения Кулона в области проскальзывания.
В 50х гг. XX века Ф. П. Тейбор в соавторстве с Д. Боуденом и другими учеными опубликовал ряд работ [6], [60], [61], [68], [74], [94], [95] о качении цилиндра по горизонтальной поверхности. Ключевым для определения момента сил сопротивления в этих работах был коэффициент гистерезисных потерь, описывающий диссипацию энергии при нагружении и разгрузке материала контактирующих тел. Для случаев качения шара или цилиндра по плоскости коэффициент может быть вычислен на основе контактной теории Герца как функция контактной нагрузки и радиуса тела. В такой модели сила трения качения не зависит от скорости движения тела. Проведенные эксперименты для некоторых материалов хорошо согласовывались с моделью (качение металлического цилиндра по основанию из резины), а для другиххуже (качение металлического цилиндра по металлической пластине).
Другой подход для определения силы и момента сопротивления движению тела со стороны среды основывается на представлении основания в качестве множества не взаимодействующих между собой стержней или пружин, так называемого «пружинного матраца». Эти пружины могут обладать разными свойствами, как в работах [84], [97 101]. Корректность такого подхода обсуждается в книге [18]. В частности, модель Максвелла использована в работе [85] о движении цилиндра с постоянной скоростью по вязкоупругому основанию.
В статьях Д. Флома [71−72] для моделирования опорной плоскости используется модель Кельвина-Фойгта. Для определения контактной нагрузки и величины силы трения при плоскопараллельном качении шара по плоскости использовались приближения по безразмерным параметрам системы, причем в зависимости от сравнительной величины этих параметров были получены разные приближенные формулы для вычисления коэффициента силы трения (под коэффициентом силы трения для неточечного контакта мы понимаем отношение модуля силы трения к величине контактной нагрузки).
Описание взаимосвязи трения скольжения и верчения первым предоставил французский ученый П. Контенсу [66]. Он рассматривал частный случай неточечного контакта двух тел, а именно, контакт тел с локально сферическими поверхностями. Контенсу получил зависимость величины силы сухого трения от отношения скорости скольжения V к линейной скорости верчения Ею в предположении о том, что распределение контактных напряжений внутри пятна контакта определяется теорией Герца.
Однако, для задач с более сложным распределением напряжений внутри зоны контакта подход Контенсу приводит к чрезвычайно сложным выкладкам. В частности, задача о движении массивного диска по шероховатой плоскости, для равномерного распределения давления диска на плоскость решенная в [28], была слишком сложной для исследования в случае более реалистичного распределения нагрузки из-за громоздких вычислений. Развитие теории Контенсу Журавлевым В. Ф. позволило добиться существенного прогресса в решении этой задачи.
Теория Контенсу-Журавлева была успешно применена последним для анализа движения шара по горизонтальной шероховатой плоскости. Для случая точечного контакта тел и сухого трения скольжения Кулона, приложенного в точке контакта, эта задача была разрешена еще Эйлером в 1758 г. [70]. Классический результат гласит, что за конечное время скольжение шара прекращается, после чего он катится равномерно и прямолинейно, равномерно вращаясь вокруг вертикали. В 1998 г. Журавлев показал в [20], что в случае круговой площадки контакта скольжение и верчение шара прекращаются одновременно и за конечное время, после чего шар равномерно катится вдоль неподвижной прямой.
Журавлев В.Ф. в задаче о движении диска по плоскости [22] получил точные аналитические выражения для силы и момента трения в элементарных функциях для круговых площадок контакта с распределением нагрузок, соответствующим контактной теории Герца, используя систему координат с началом в мгновенном центре скоростей, и построил их аппроксимации Паде. Появление теории Журавлева позволило исследовать динамику диска в в случае другого распределения нормальных контактных напряжений внутри пятна контакта. В частности, для распределения по закону Галина [15] а (г) = 2-к^в?-г21 R — радиус диска, N — его вес, а г — радиус-вектор элементарной площадки внутри зоны контакта, были получены точные аналитические выражения для главного вектора и момента сил трения и построены их дробно-линейные аппроксимации, а также показано, что движение заканчивается за конечное время, а в момент остановки мгновенный центр скоростей находится на границе диска.
Анализ такого рода задача осложняло то обстоятельство, что точные выражения для главного вектора сил и момента сил трения необходимо было получить аналитически, а затем на их основе строить аппроксимации Паде для исследования динамики. Для этого требовалось вычисление кратных интегралов по пятну контакта, возможное для ограниченного числа видов распределений контактных напряжений. Это затруднение было разрешено Журавлевым В. Ф. [21] и Кире-енковым A.A. [40] с помощью методики прямого построения аппроксимаций Паде, которая позволила обойти вычисление соответствующих интегралов. Корректность использования дробно-линейных аппроксимаций Паде, а также выбор необходимой точности разложения для исследования задач динамики показаны в работе [23]. В статье [41] проведен анализ для моделей трения, опирающихся на посткулоновские эксперименты, и вычислены дополнительные полиномиальные члены, участвующие в выражениях для силы и момента трения.
Впрочем, в реальных задачах закон распределения контактных напряжений может быть неизвестендля того, чтобы его получить, необходим эмпирический подход. Для этого Кирееиковым A.A. были разработаны феноменологические модели трения на основе аппроксимаций Паде, коэффициенты которых определяются из экспериментов. Теоретические результаты подкреплены приведенными в работах [45], [46] экспериментальными стендовыми испытаниями, проведенными в лаборатории механики систем ИПМех РАН совместно с кафедрой теоретической механики МФТИ. Наблюдения за сложным движением, совмещающим скольжение и верчение, дисков из стали, дюраля, латуни и дуба показали, что двумерная модель первого порядка дает достаточно близкое приближение к реальной ситуации.
Новую двухпараметрическую модель трения, обобщающую модель Контенсу-Журавлева, в 2008 году предложил A.B. Карапетян [35]. Модель зависит от двух параметров и переходит в модель Контенсу-Журавлева при нулевом значении одного параметра и в модель Кулона при нулевом значении другого параметра. При выводе этой модели трения предполагается, что пятно контакта между телом и опорной поверхностью представляет собой не плоский круг, а сферический сегмент. На каждую элементарную площадку этого сегмента, с вершиной в произвольной точке области контакта, действует сила сухого трения Кулона, направленная в сторону, противоположную скорости этой точки и пропорциональная давлению, оказываемому этой площадкой на опорную плоскость. После интегрирования всех элементарных сил и их моментов по пятну контакта получается выражение для суммарной силы трения и суммарного момента сил трения. Эта модель трения описывает все виды трения: качения, скольжения и верчения.
На основе этой модели Ишханян М. В. и Карапетян A.B. в 2010 году опубликовали ряд работ [32−34], [36], [37], в которых были получены новые результаты при исследовании динамики однородного шара на горизонтальной шероховатой плоскости. Показано, что шар остановится за конечное время, причем процессы скольжения и верчения шара прекращаются одновременно. В этом случае невозможны как качение шара без скольжения, так и скольжение по плоскости без качения, в том числе будучи скомбинированными с верчением шара.
Дополнительное исследование зависимости сил трения скольжения, качение и верчения в зависимости от ориентации твердого тела на плоскости приведено в [38].
Похожие результаты получены и для динамики массивного диска на наклонной плоскости с трением в работе [39].
В 2008;2011 гг. Ивановым А. П. были опубликованы работы [24−26], обобщающие классические результаты исследования динамики шара на плоскости [51], [56]. В работе [26] приводится сравнительный анализ динамики однородного шара на плоскости с сухим трением для случая точечного контакта (неголономная постановка задачи) и случая пятна контакта с заданным распределением нормальной нагрузки. Доказана теорема о предельном переходе, согласно которой траектория шара с пятном контакта приближается к траектории шара с точечным контактом при радиусе зоны контакта, стремящемся к нулю. Показана корректность аппроксимации реакций неголономных связей силами вязкого трения. Так как ранее в [24] было показано, что односторонний характер связи между телом и плоскостью может приводить к парадоксам несуществования или неединственности решения, аппроксимация распределенной моделью трения может оказаться полезной.
Еще одна модель силы трения, обобщающая решение контактной задачи Герца, была представлена в 2008 г. Е. Б. Александровым, В. Г. Вильке, И. И. Косенко [2]. В работе излагается методика аналитической и вычислительной реализации модели упругого контактирования твердых тел в рамках задачи Герца. Для вычисления нормальной силы при упругом контакте твердых тел авторы вводят объемометрическую модель по аналогии с [12], [73]. Формальное моделирование односторонней связи, соответствующей контактному взаимодействию двух упругих тел, ограниченных регулярными внешними поверхностями, осуществлено с помощью систем дифференциально-алгебраических уравнений. Эти уравнения обеспечивают вычисление координат точек поверхностей, лежащих на концах кратчайшего отрезка, соединяющего эти поверхности. В отличие от упомянутых ранее работ площадка контакта имеет эллипсоидальную форму. Вычисление ее полуосей и суммарной силы нормального давления сводится к решению системы трансцендентных интегральных уравнений. Помимо указаний к способу численного разрешения системы уравнений (рекомендуется использовать полные эллиптические интегралы в качестве дополнительных фазовых переменных задачи) авторами показаны существование и единственность решения.
В задачах контакта двух упругих тел, где не выполняются предположения Герца, форма площадки контакта может отличаться от эллипса. Для этих случаев авторами предложен метод определения нормальных контактных сил, основанный на «инвариантной» форме силовой функции, соответствующей контактному взаимодействию двух упругих тел. У модели есть ограничения: например, если эллиптическая зона контакта вырождается в отрезок, предположения теории контакта Герца нарушаются. В связи с этим дано замечание о границах применимости контактной теории, связывающее главные радиусы кривизны поверхности, порождаемой функцией расстояний между точками контактирующих поверхностей, и полуоси эллипса контактной зоны.
В рамках вычислительной реализации на языке Modelica были построены динамические модели относительного качения тел с проскальзыванием и подпрыгиванием: колесный экипаж, скейтборд и шариковый подшипник. Вычислительные эксперименты показали очень высокую близость модели Герца и объемометрической модели на протяжении всего времени моделирования.
Эта модель была развита и дополнена в [1] в 2009 г. Рассматриваемая модель является продолжением упрощенной модели Контенсу-Эрисмана [66], [69] со следующими допущениями: модель анизотропна, т. е. суммарные силы трения вдоль главных полуосей контактного эллипса могут быть различныдля поступательных и почти поступательных относительных движений в области контакта используется регуляризованный кулоновский закон трениядля момента трения верчения построена приближенная модель. Для сравнения различных подходов к вычислительной реализации касательных сил используется динамическая модель шарикоподшипника. Полученные в работе упрощенные формулы подхода Контенсу обеспечивают скорость моделирования большую, чем в модели точечного контакта.
Современные ученые активно изучают движение твердых тел по деформируемым поверхностям. В частности, в серии работ [89], [90], [91] исследовано качение твердого цилиндра по вязкоупругой плоскости, описан характер силы сопротивления.
В статье [90] абсолютно твердый цилиндр катится по деформируемой горизонтальной плоскости. Поверхность, по которой движется тело, смоделирована набором вязкоэластичных стержней, не взаимодействующих между собой. В отличие от контактной теории Герца в рассматриваемой модели зона контакта не плоская, а, напротив, обладает кривизной, соответствующей радиусу цилиндра. В качестве источников сопротивления служат упругие силы, возникающие при деформации стержней, и силы внутренней вязкости. Чтобы избежать необходимости учитывать силу трения при проскальзывании цилиндра, авторы отказываются от использования горизонтальных сил и, следовательно, не затрагивают различные режимы движения цилиндра с ускорением. Таким образом, динамика механической системы сведена к нахождению выталкивающей вертикальной силы и далее диссипации энергии вследствие этой силы. Показано, что для малых скоростей коэффициент трения качения прямо пропорционален скорости цилиндра, и эта зависимость найдена аналитически с точностью до малых второго порядка. Для больших скоростей зависимость приобретает нелинейный характер, и дальнейшее изучение проводится методом численного моделирования. Сопротивление качению убывает с ростом величины скорости, и достигает максимума при некотором ее значении. Размер и расположение зоны контакта зависят от горизонтальной скорости цилиндра — чем больше скорость, тем менее тело погружается в деформируемую среду. Для малых скоростей зависимость между величиной вертикального погружения цилиндра и его горизонтальной скоростью найдена аналитически с использованием малого параметрадля больших скоростей зависимость ищется численно. Эта зависимость имеет монотонный, но вместе с тем нелинейный характер.
В работах [91] и [89] построенная в [90] модель развивается и дополняется. В [91] рассматривается качение цилиндра по наклонной плоскости. Нормальная плоскости сила, выталкивающая тело из деформируемого покрытия, сохраняется из [90], но теперь к ней добавляется тангенциальная составляющая, которая, в свою очередь, формируется постоянной внешней силой, зависящей от угла наклона плоскости, силой вязкого сопротивления со стороны окружающего тело воздуха, квадратично зависящей от скорости цилиндра, и силой трения качения. По-прежнему предполагается, что проскальзывание между цилиндром и поверхностью, по которой он осуществляет качение, отсутствует. Показано, что существует до трех стационарных движений в зависимости от угла наклона опорной плоскости, и найдены условия устойчивости этих движений.
Дополнительно исследуется влияние стохастических возмущений окружающей среды, моделирующих неоднородность воздушной массы вокруг цилиндра. Показано, что наличие «шума» может приводить как к замедлению, так и ускорению качения цилиндра, а также приводить к переходу между различными мета-стабильными стационарными движениями.
Отчасти схожая механическая модель исследуется в статье A.C. Кулешова, Д. В. Трещева, Т. Б. Ивановой и О. С. Наймушиной [47], посвященной изучению взаимодействия абсолютно твердого цилиндра с деформируемым основанием. Предположение о том, что цилиндр является достаточно длинным, позволяет свести задачу к плоской, то есть фактически исследовать различные виды движений жесткого диска на деформируемой прямой. Среда моделируется множеством невесомых пружинок, испытывающих вязкоупругие деформации при контакте с твердым телом. Дополнительно важным допущением является достаточная жесткость деформируемой среды, что позволяет считать глубину погружения диска малой сравнительно с его радиусом. Появляющийся естественным образом малый параметр существенно упрощает ряд вычислений. Для нулевого значения коэффициента трения исследованная модель совпадает с моделью релаксирующего грунта А. Ю. Ишлинского [30].
Силы, действующие со стороны деформируемого основания, могут быть трех типов: упругие, вязкие и силы сухого трения, удовлетворяющие закону Амонтона-Кулона.
В отличие от большинства исследователей, подробно останавливающихся на отыскании и описании стационарных движений, авторы концентрируют свое внимание на задаче, где параметры движения далеки от постоянных. Наряду с общим качественным описанием взаимодействия диска и прямой в работе [47] детально рассматривается задача о косом ударе, то есть о кратковременном взаимодействии диска с кривой при произвольном падении диска. Получен результат отделения вертикального движения при таком ударе. Исследовано движение диска «вдоль прямой» включающее стадии скольжения и качения.
Феноменологический подход к решению задачи о движении мяча с неизменной сферической поверхностью по деформируемой плоскости, аппроксимируемой однородным упругим телом, продемонстрирован в цикле статей М. Брели с соавторами [62−65]. В предположении об отсутствии проскальзывания в точке контакта мяча и опорной плоскости, а также пренебрежимо малых силах сопротивления воздуха авторы ограничиваются рассмотрением двух сил, препятствующих движению тела. Первая из них обуславливается погружением мяча в плоскость, и, таким образом, не зависит от величины скорости мяча (взаимозависимостью изменения вертикального положения центра масс мяча и горизонтальной скоростью его движения авторы также пренебрегают). Вторая же сила получена как сила реакции со стороны плоскости и вычислена с использованием теории конечных деформаций. Она обеспечивает нелинейный характер итогового дифференциального уравнения, описывающего изменение скорости движения мяча, точнее, замедление его движения.
Обыкновенное дифференциальное уравнение движения в работе получено в общем виде х = а + Ьх + сх2 и является частным случаем уравнения Риккати, а материальные константы определяются экспериментально отдельно для взаимодействующих тел из различных материалов. В ходе экспериментов шары скатываются по наклонной плоскости, приобретая некоторую легко вычисляемую скорость, а дальше катятся по горизонтальной плоскости, постепенно останавливаясь, в то время как экспериментаторы вычисляют положение шара для ряда отсечек по времени. Интересно, что качение бильярдного шара по сукну и теннисного мяча по траве хорошо описываются моделью в отличие от движения мяча для гольфа по травяному покрытию. Авторы объясняют последнее расхождение сложной формой мяча для гольфа, которая требует расчета специфических моментов инерции, а так же его малым весом, вследствие чего нарушается условие непроскальзывания.
Еще одна феноменологическая модель динамики мяча для гольфа, передвигающегося по горизонтальному и наклонному травяному газону, описана в работах А. Р. Пеннера [87−88]. Исследуется специфический вид ударов по мячу в гольфе, в котором у мяча отсутствует фаза полета. Таким образом, движение мяча сводится к скольжению и качению по газону, сопровождающимся верчением («закрученный» удар). Предполагается, что при взаимодействии деформируются и мяч, и поверхность, по которой он движется, что и является источником силы сопротивления движению мяча. Силы и момент сопротивления учитываются как эквивалентные им результирующие сила и момент, приложенные к некоторой точке зоны контакта мяча и газона.
Дальнейший анализ упрощают два предположения. Во-первых, считается, что расстояние между точкой приложения результирующей силы и центром масс мяча невелико по сравнению с радиусом мяча. Во-вторых, влияние отличия формы мяча для гольфа от шарообразной предполагается пренебрежимо малым. Реальный мяч имеет на поверхности ямки-турбулизаторы, служащие для внесения возмущений в обтекающий мяч воздушный поток. После всех упрощений коэффициенты силы и момента сопротивления находятся из серии экспериментов, в которых замеряется время остановки мяча при движении по горизонтальному травяному газону.
Для исследования качения мяча по наклонному газону используются дополнительные допущения. Считается, что коэффициент силы трения качения соответствует аналогичному коэффициенту для горизонтальной плоскости, а точка приложения эквивалентных результирующих сил расположена вдоль направления движения. Аналитическое описание подкреплено результатами численного моделирования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Диссертация состоит из трех глав, введения, заключения и списка литературы.
Первая глава диссертации посвящена исследованию динамики мяча с гладкой поверхностью на травяном газоне. Мяч — это абсолютно твердое однородное изотропное недеформируемое тело сферической формы, обладающее массой. Газон моделируется однородным множеством упругих стержней, жестко закрепленных на опорной плоскости и имеющих прямолинейную форму в недеформированном состоянии. Стержни могут испытывать как продольные, так и изгибные деформации, а также ударные воздействия в момент контакта с поверхностью мяча. Деформации стержней изучаются в рамках линейной теории продольных и изгибных деформаций. Предположение о достаточной жесткости стержней позволяет ввести в задаче малый параметр 5, соответствующий глубине погружения мяча в поверхность газона. Впоследствии в главе 3 для исследования динамики стержней будет использована модель Кельвина-Фойгта, учитывающая внутреннюю вязкость стержней.
В 1.1 формулируется постановка задачи и вводятся основные переменные. Из вариационного принципа Гамильтона-Остроградского выводятся уравнения движения стержня с граничными условиями, соответствующими жестко закрепленному нижнему концу и свободному верхнему. Согласно методу разделения движений динамическая задача о продольно-поперечных колебаниях стержня заменяется квазистатической задачей, а процесс взаимодействия стержня с поверхностью мяча разбивается на неупругий удар, вследствие которого энергия рассеивается при затухающих колебаниях, и скольжение свободного конца стержня по гладкой поверхности мяча. Эти движения в работе считаются независимыми и рассматриваются по отдельности.
Исследование ударного взаимодействия между стержнем и сферической поверхностью приведено в 1.2. Получено условие (V, п) > О наложения связей на границе зоны контакта, сопутствующее вовлечению новых стержней во взаимодействие с мячом. Вычислена величина нормальной средней силы, действующей на стержень при ударена основании агрегации этих сил получена сила результирующего ударного взаимодействия, которая пропорциональна квадрату скорости центра мяча.
В 1.3 исследуются силы, действующие со стороны стержней на мяч после окончания переходных процессов. Получено выражение, связывающее силы реакции со стороны упруго деформированных стержней и перемещения свободных концов стержней. Последние находятся благодаря связи, налагаемой при ударе, а также условию нормальности силового поля реакций поверхности мяча. Вычисленная величина результирующей силы зависит только от глубины погружения мяча в газон.
В 1.4 получены уравнения движения мяча в проекциях на оси подвижной системы координат. Уравнения представляют собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений четвертого порядка относительно переменных у, ф, Хз с нелинейными правыми частями. Так как в случае гладкой поверхности мяча поля сил в 1.2 и 1.3 нормальны сферической поверхности, момент силы равен нулю, и в уравнения движения не входит угловая скорость.
Так как полученные в 1.4 уравнения движения не могут быть разрешены в общем случае, более детальный анализ динамики гладкого мяча на газоне приводится в 1.5 для некоторых частных, режимов движения. Рассмотрено движение мяча по горизонтальной плоскости в отсутствие внешних сил, отличных от силы тяжести. Показано, что при таком движении имеет место обратная зависимость между малым параметром 5, описывающим вертикальное перемещение центра мяча, и горизонтальной скоростью центра мяча v. Для вертикальных колебаний центра мяча уравнения движения сводятся к одному обыкновенному дифференциальному уравнению второго порядка с единственной переменной 5. Найдено устойчивое положение равновесия мяча на газоне. В системе Maple 14 построен фазовый портрет механической системы с особой точкой типа «фокус». Наконец, для движения мяча по наклонной плоскости под действием силы тяжести найдены частные решения и исследована их устойчивость. Так, движение «вверх» по наклонной плоскости неустойчиво, в отличие от движения «вниз». В последнем случае система может иметь одно или два стационарных движения или не иметь их вовсе. В случае двух стационарных движений показана устойчивость движения с меньшей скоростью соскальзывания мяча. Качественный анализ движения мяча подкреплен результатами численного компьютерного моделирования.
Вторая глава посвящена изучению трения, возникающего при движении мяча с шероховатой поверхностью по газону. Задача нахождения результирующих силы и момента трения сводится к интегрированию по поверхности контакта элементарных сил и моментов, возникающих при скольжении свободного конца стержня по поверхности шара. При этом необходимо учитывать распределение контактных напряжений, которое принимается совпадающим с аналогичным распределением в предположении о гладкости поверхности контакта, полученным в главе 1.
В 2.1 сформулирован диссипативный функционал, описывающий рассеяние энергии механической системы вследствие трения. Компоненты силы и момента трения находятся как частные производные функционала по компонентам скорости Xi или угловой скорости сВ дальнейшем функционал и определенные на его основе сила и момент вычисляются приближенно с точностью до главных членов.
В выражение для диссипативного функционала входит функция описывающая мощность трения в точке соприкосновения мяча и стержня в зависимости от относительной скорости точки контакта уе. Рассмотрению различных исследованных в литературе моделей сил трения, посвящен раздел 2.2. Для более подробного исследования выбраны три различные функции б (^), соответствующие линейному вязкому трению, сухому трению Кулона и, наконец, вязкой аппроксимации сухого трения.
В 2.3 на основе диссипативного функционала вычисляются компоненты силы и момента трения для модели линейного вязкого трения, что дает возможность сформулировать уравнения движения мяча. Эти уравнения имеют нелинейные правые части и в случае горизонтальной плоскости описывают систему с единственным аттрактором, соответствующим положению равновесия мяча на плоскости. В случае наклонной плоскости в зависимости от параметров системы могут существовать стационарные движения, соответствующие равномерному прямолинейному качению мяча по газону. Приведены графики, соответствующие результатам численного интегрирования уравнений движения мяча, для случаев гладкой поверхности мяча и поверхности с линейным вязким трением. Показано, что пренебрежение членами младшего порядка при вычислении силы и момента трения вносит малое возмущение в траекторию мяча.
В 2.4 сформулированы интегральные выражения для компонент силы и момента трения в случае сухого трения Кулона. Вычислена сила трения для аппроксимации сухого трения, показано, что она имеет нелинейный характер. В выражения для всех компонент силы и момента трения в обоих рассмотренных случаях входят компоненты скорости и угловой скорости мяча, что приводит к взаимосвязи между движениями мяча: скольжением, верчением, качением.
В третьей главе рассматривается влияние сил внутренней вязкости стержней на динамику шара. При деформации стержней возникают внутренние диссипативные силы, которые приводят к изменению формы стержней, зоны контакта, а также вносят вклад в уравнения движения. Силы внутренней вязкости предполагаются малыми по сравнению с остальными силами сопротивления в механической системе. Для моделирования деформаций в работе использована модель Кельвина-Фойгта.
В 3.1 сформулирован функционал внутренних диссипативных сил и внесены соответствующие добавочные члены в уравнения движения стержней. На основе этого функционала вычислены нелинейные вязкие силы сопротивления, порождаемые рассеянием энергии при деформации из-за вязкости материала стержней. Записаны уравнения движения мяча с учетом этих сил.
В 3.2 исследовано изменение зоны контакта мяча и стержней. Внутренняя вязкость материала при деформации стержней вызывает эффект «запаздывания». Стержень перестает контактировать с поверхностью мяча, когда обращается в ноль сила реакции односторонней связи. С использованием этого критерия получено уравнение, описывающее границу возмущенного пятна контакта. Показано, что на некотором протяжении она может совпадать с невозмущенной границей. Для частных случаев движения дано качественное описание, дополненное графиками.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы [13], [14], [98], [99].
Основные результаты были доложены на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2011» (Москва, 14−23 ноября 2011 года), Седьмом международном симпозиуме по классической и небесной механике (ССМЕСН 7) (Москва, 17−28 октября 2011 года), Всероссийском конкурсе студентов и аспирантов в области математических наук (Ульяновск, 8−10 июля 2012 года).
Заключение
.
В работе построена модель механической системы, состоящей из массивного твердого мяча неизменной шаровой формы и газона, описываемого как множество вязкоупругих стержней с нижними концами, жестко прикрепленными к опорной плоскости, и свободными верхними концами. В сущности, рассмотрена система переменного состава, так как в процессе движения мяча происходит как вовлечение стержней во взаимодействие с мячом, так и их выход из зоны контакта.
Описаны причины возникновения сил реакции: удары при соприкосновении мяча со стержнями, упругие продольно-изгибные деформации стержней, трение свободных концов стержней о поверхность мяча на протяжении контакта, внутренняя вязкость при деформации стержней. Перечисленные силы вычислены (в качестве модели трения было использовано вязкое трение, пропорциональное скорости движения мяча), описан характер их зависимости от переменных задачи.
Исследована диссипация энергии при ударах стержней о поверхность мяча и найдена результирующая сила сопротивления, возникающая вследствие ударных воздействий, сопровождающих наложение связей. Показано, что эта сила имеет квадратичный характер зависимости от скорости центра мяча.
Показан нелинейный характер результирующей силы вязкого трения между свободными концами стержней и поверхностью мяча, даны указания относительно общего вида результирующей силы в случае моделей трения, отличных от вязкого.
Получены силы внутренней вязкости при деформациях стержней в предположении об их малости по сравнению с упругими силами, определен их нелинейный характер. Показано, что эти силы, вообще говоря, меняют пятно контакта, но на малую величину.
С учетом полученных сил были сформулированы уравнения движения, проведен их качественный анализ. Подробно исследованы частные режимы движения гладкого мяча: движение по горизонтальной плоскости, вертикальные колебания мяча на газоне, движение мяча по наклонной плоскости в отсутствие внешних сил и моментов. Выявлен характер взаимосвязи между погружением мяча в газон и его горизонтальной скоростью. Для вертикальных колебаний найдено положение устойчивого равновесия и построен фазовый портрет. Для случая движения мяча по наклонной плоскости найдены условия существования стационарных движений, показана их устойчивость или неустойчивость.
Для случая шероховатой поверхности мяча найдено положение равновесия и показано, что оно является единственным аттрактором системы. Дано качественное описание характера движения мяча под воздействием сил вязкого трения между свободными концами стержней и поверхностью мяча.
Показано, что силы, возникающие из-за внутренней вязкости стержней, изменяют зону контакта мяча и стержней. Получен критерий отрыва стержня от поверхности мяча в виде условия на величину силы реакции односторонней связи. На основе этого критерия аналитически вычислена форма границы возмущенной зоны контакта, приведены примеры для простых частных случаев движения мяча.
